現今市面上的固態硬碟(SSD)多是作成模組或常規硬碟的尺寸(2.5吋)以取代傳統硬碟(HDD)，但對於有限的系統空間而言，模組化及常規硬碟的尺寸已無法滿足這些需求，因而須朝向更快速、更可靠的微型化儲存記憶裝置設計。
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| 圖1 以單一晶片封裝整合Flash及控制晶片的SSD示意圖 |
將SSD以單一晶片封裝方式呈現也許能解決這個問題，此設計思考的方向是將控制晶片(Control IC)與快閃記憶體(Flash Memory)整合至同一封裝體中，其中快閃記憶體以三維(3D)堆疊方式完成，創造HDD與SSD共存的利基型商機，也更進一步提升產品價值(圖1)。此舉不僅能大幅減少產品體積和面積，更因裸晶(Die)與裸晶間連結路徑縮小，可有效提升訊號傳輸效率，降低運轉溫度。
多晶片封裝SSD大幅減少尺寸
將整個SSD架構在單一顆IC中獲得實現，稱之為SSD多晶片封裝(MCP)，此SSD MCP主要應用於嵌入式系統中。嵌入式系統通常執行的是帶有特定要求的預定任務，設計人員的目標是將系統運行做到最佳化，減小尺寸以降低成本。
傳統SSD架構須要先設計印刷電路板(PCB)，再搭配主控晶片、快閃記憶體及被動料件，從印刷電路板製作、打件到測試，工程繁複耗時。在整合成SSD MCP後，單一晶片即是固態硬碟，設計人員透過引出介面接腳，即可直接操作運用SSD MCP，大大節省研發成本與驗證時程。其迷你體積應用在嵌入式系統時，使得零件更為精簡，也更節省空間。
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| 圖2 SSD MCP架構 |
目前SSD MCP的容量規格大致如下，一般16G～64GB的容量為普遍需求，作業系統及應用軟體的需求容量大約為16GB，而目前平板應用則以16GB和32GB為主要需求容量。若以目前25奈米(nm)製程NAND型快閃記憶體(NAND Flash)為例，疊四或疊八顆NAND型快閃記憶體裸晶可以達到16G～64GB的容量。
無須修改架構即可擴充容量
SSD MCP可擴充容量的創新設計，若在規畫的容量到達上限後，可在不改變原架構下擴充容量。例如，記憶體容量需求變化快速導致64GB容量不敷使用時，SSD MCP可作擴充記憶體的彈性設計，透過外接NAND型快閃記憶體加大容量以因應容量的需求變化。而目前已開發出的SSD MCP最高容量為64GB，可擴充記憶體最高達128GB。SSD MCP架構如圖2所示。
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| 圖3 封裝及Ballout |
SSD MCP產品在設計初期即已將產品功能、安全、環保、綠色產品及節能減碳的優點列入設計考量。SSD MCP採用球閘陣列封裝(BGA)，輸出一百七十九個腳位(圖3)，其中許多腳位設定為VCC電源，電源由散布MCP各處的腳位提供，穩定整個晶片電路的運作，避免電壓不足可能造成的運作異常問題。微型化的IC設計，將被動元件如電感、電容、電阻設計進去，總體積14毫米(mm)×22毫米×1.6毫米較一般2.5吋SSD固態硬碟縮小一百二十倍之多。
而應用在產品上，除零件更為精簡外，也可節省更多空間。對於環保和綠色科技意識的抬頭，SSD MCP沒有馬達和碟片等機械式結構，因為MCP晶片屬於低耗能，無需風扇散熱，低熱且無噪音，對環境與資源節省都有極大助益，兼具響應環保的目的。
SSD MCP設計必備技術
由於SSD MCP體積小，結構上較為複雜，因此設計時會遭遇種種的技術障礙如在高速傳輸時的訊號延遲、頻率響應及阻抗匹配等，所以在線路、基板(Substrate)設計上均須彙整設計。以下三項技術為SSD MCP設計上須具備的技術：
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在取得的記憶體晶圓片中，針對不同應用所需的規格，須開發客制化的測試程式，包括晶圓級燒機(Wafer Level Burn-in)及寬溫測試等，SSD MCP需要多樣性的良裸晶(Known Good Die)規格及MCP本體的測試需求。此項提供一站式服務的專業能力，能大大降低成本與客戶生產製造的不良率。 |
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成功的基板設計必須考量到效能、良率、擴充性及電磁干擾，針對不同的儲存應用做最佳化的基板設計，以大幅提升產品使用的可靠度與耐用度，降低維修的機率。一般來說，層數越多，基板的根基越扎實，訊號間的干擾就會越少，能夠保證基板上的電子元件如晶片組、電容、IC等，在惡劣的環境下正常工作不受干擾，讓使用壽命越長。在使用過程中發生物理故障的可能性越少，當然成本也就會越高。SSD MCP基板採用兩層板，大幅降低成本卻保有同樣品質。另外，由於採用三維堆疊方式，裸晶與裸晶間連結路徑縮小，也降低繞線的複雜度，因MCP面積小，訊號線長短不一的影響也大幅降低。
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| 圖4 封裝熱效應示意圖 |
在基板設計完成之前，須先經過熱模擬(Thermal Simulation)，即模擬封裝體在運轉受熱環境時之翹曲量與熱應力分析，找出最佳材料組合及製程參數。IC因堆疊層數不同及各材料熱膨脹係數的差異，運轉時會在封裝體形成不同程度的熱應力分布，容易在可靠度試驗時出現脫層(Delamination)現象，甚至造成封裝體翹曲(圖4)。透過熱模擬確認，才可為完善的基板設計。 |
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由於MCP在同一封裝裡包含不同功能的晶片，因此須要配合專門的測試冶具，在開發MCP同時，也必須同時兼顧到MCP的測試平台，依照不同需求建立完整的測試平台與程式，讓客戶在偵錯(Troubleshoot)問題時能迅速地排除非相關因素，找出問題真正所在並加以解決，達到產品品質穩定目標的要求。 |
SATA為SSD主要傳輸介面
SSD MCP屬多晶片封裝架構，堆疊技術難度高，將控制晶片與快閃記憶體等兩種以上的記憶體，採先進三維封裝技術堆疊而成，屬技術層次難度極高的開發。進入門檻較一般SSD或是手機用MCP更高。而目前市面上已推出同時支援並列式先進附加(PATA)與序列先進附加技術(SATA)介面的SSD MCP，連續讀寫速度最高可達每秒115/45MB(圖5～6)。
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| 圖5 連續讀取速度 |
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| 圖6 連續寫入速度 |
相較於市面上推出的PATA介面，目前個人電腦(PC)應用主流為SATA介面，雖然PATA介面具有構造簡單、相容性高的優點，然而，PATA介面的傳輸速度卻不足以滿足增加的需求，隨著SATA II、SATA III規格的陸續推出，SATA取代PATA介面成為SSD傳輸介面主流，SATA設計更能滿足世代交替的介面發展趨勢。
(本文作者為科統科技行銷業務部行銷業務處資深處長)